七万吨液态氩气，数万亿近乎以光速运动的粒子，一个废弃的、深埋地下1英里的矿井改建的实验室，1000多名科学家，以及超过十亿美元的投资——所有这一切都是为了捕捉那些乐观估计每天只能捕获一个粒子的机会。
这是一项惊人的努力，但搜寻宇宙中最难以捉摸的粒子之一可能值得付出。
这些粒子被称为中微子，常被称为“幽灵粒子”。然而，它们的实际存在远比这个绰号暗示的要多。每秒钟都有数万亿个中微子穿过你——你只是从未注意到。它们的质量非常轻，与其他粒子相互作用的几率极其微小；即使是极其灵敏的设备也很难探测到它们。
但正是这种难以捉摸的特性，使得中微子成为物理学家们诱人的猎物。
“宇宙中的中微子比质子或中子多出大约十亿倍，”在芝加哥西部费米实验室工作的中微子物理学家黛博拉·哈里斯说。“如果你们领域的目标是理解宇宙，那么你们就需要理解中微子。”
为此，费米实验室与南达科他州的桑福德地下研究中心合作，启动了一个名为深层地下中微子实验（DUNE）的新项目。该项目的目标是以前所未有的方式追踪和研究这些神秘的粒子。
该实验目前计划于2026年开始，将是中微子研究领域向前迈出的重要一步。一切始于费米实验室仍在开发中的一种新型粒子加速器。这些复杂的机器是研究宇宙最小物质组成部分的物理学家的关键工具，使他们能够在受控环境中研究粒子。在加速器内部，一系列电磁场将单个质子加速到接近光速。然后，仍在费米实验室场地下方，这些质子将撞击一块石墨，产生一股粒子流。随着这些粒子的衰变，会产生一股中微子流。在它们射出并穿过地壳，前往800英里外的南达科他州之前，传感器将收集关于这股粒子流的数据。
在那里，在废弃的霍姆斯特克矿（Homestake Mine）深埋地下，将放置四个仓库大小的罐子，里面装满了超冷却的液态氩气。人们希望，在费米实验室产生的一些中微子将撞击氩原子核，释放出一阵光和一系列电子，科学家们可以追踪这些电子。
（图片来源：费米实验室）
费米实验室
“迄今为止，中微子物理学基本上是一种计数实验，”费米实验室的中微子物理学家安吉拉·法瓦说。“你对相互作用进行分类，并计算出有多少个。”但她说，DUNE将使他们能够区分这些相互作用。
特别令人感兴趣的是监测中微子的一种奇特特性：它们在旅行过程中会改变类型，或称为“味”。例如，在费米实验室产生的中微子，几乎全部是μ子味，它们可能以μ子中微子、或另外两种味——τ子或电子中微子——的形式到达南达科他州。
通过比较离开和到达的味以及其他数据，研究人员希望更深入地了解这些粒子在空间中运动时的行为。最诱人的发现可能是存在第四种中微子——“惰性中微子”的迹象——之所以如此称呼，是因为如果它确实存在，它似乎从未与物质发生过相互作用。但如果在近处和远处探测器上观察到的粒子类型存在细微的差异，那可能就暗示了惰性中微子的存在。这样的中微子将是暗物质的候选者——一种看不见的物质，物理学家几乎可以确定它充斥着我们的宇宙，但从未探测到。
然而，对这些问题的解答必须等到DUNE上线后才能揭晓，而且挑战依然存在。有些是实际的，比如粒子加速器仍在开发中，而有些则是纯粹的后勤问题。例如，将7万吨氩气——在运输过程中需要保持低温才能保持液态——运往南达科他州，然后再运入地下，这是一项前所未有的任务。虽然研究人员有信心能够解决这个问题，但这并不容易。但这也很贴切：在寻找幽灵时，事情很少会容易。
[本文最初以“费米实验室的幽灵狩猎”为题刊印。]
